全球含油氣細粒沉積巖研究進展

肖路安

（蘭州大學地質科學與礦產資源學院，甘肅 蘭州 730000）

非常規油氣是指用傳統技術無法獲得自然工業產量、需用新技術改善儲層滲透率或流體粘度等能經濟開采、連續或準連續型聚集的油氣資源。2016年7月，貴州遵義安頁1井獲得重大突破，發現中國首個高產海相致密天然氣藏，中國進入了常規與非常規油氣并重的勘探開發新時代，地質開發理論進入了非常規油氣創新的“黃金期”[1]。隨著非常規油氣勘探開發的不斷深入，出現了現有適用于常規油氣開發的理論與非常規油氣開發不相適應的矛盾，非常規油氣開發亟需新的理論發展支撐。非常規油氣的烴源巖和儲集層主要是細粒沉積巖，細粒沉積巖分布廣泛，約占沉積巖的2/3，但由于粒度小、觀察難度大以及受超微觀實驗條件的限制，細粒沉積學的研究程度低，研究難度較大，也是目前國內外研究前沿。本文將從細粒沉積巖的研究進展、概念、分類、孔隙結構定量表征、評價等方面進行闡述。

1 細粒沉積巖的研究進展

在充分吸收和借鑒前人對細粒沉積巖研究經驗的基礎上，國內外學者對陸相與海相盆地細粒沉積巖進行了大量的研究工作，在巖性—巖相、沉積分類、成巖過程、沉積體系和儲集層特征等方面取得了一系列成果認識。姜在興[2]理清了細粒沉積巖相關概念及術語，建立了系統、科學的細粒沉積巖分類方案，明確硅質與碳酸鹽等細粒物質沉積、成巖動力學過程，以東營凹陷為例建立了針對深水細粒沉積巖的沉積模式，用氣候、相對湖平面及物源3種成分的組合變化來指代層序主控因素，進而為深水細粒沉積層序地層分析提供了解決方案。孫龍德[3]通過對鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段、松遼盆地白堊系青山口組等不同類型盆地黑色頁巖巖相、巖石組成及其微觀特征的研究，建立了3類湖相富有機質頁巖的成因模式。Chalmers[4]研究了細粒沉積巖在隨埋深增加進入到晚成巖階段和初始變質階段（近變質和淺變質）時，孔隙度有減小的趨勢?？紫抖葴p小到2%時，巖石經歷了淺變質過程，認為是無經濟價值的氣儲層；頁巖成熟度在石油窗時，孔隙度的減少是由于大孔的減少，隨成熟度增加（干氣階段）孔隙度繼續減少，在低級變質巖中孔隙度的減少是由于中孔的減少；從大孔減少到中孔減少的孔隙大小分布變化反映了在成熟度低的巖石中以孔隙機械破壞為主，在成熟度高的巖石中以白云母和伊利石的生長及自生重結晶的化學過程為主；中孔的減少對基質滲透率的影響很大，天然和誘導裂縫在完井中日益重要。

2 細粒沉積巖的概念及分類

細粒沉積巖是由細粒物質所組成的巖石。細粒物質是指顆粒粒級小于0.0625mm的組分，主要包括碳酸鹽、粘土礦物、有機質、生物碎屑、石英等[2]。對于細粒沉積巖的分類，目前沒有比較公認統一的分類方案。一般原則是從礦物成分因素和適用因素來考慮的，但由于細粒沉積巖的研究與油田的非常規油氣實際生產開采關系緊密，另一類細粒沉積巖的分類方案則偏向于更具有實際生產的工業用途意義，如郝運輕[5]根據工業用途將泥巖頁巖分為室內和錄井兩大類（圖1）。鄢繼華[6]認為細粒沉積巖成分復雜、粒徑較細且非均質性較強，在粗碎屑巖研究中常用的薄片鑒定法統計礦物含量已不適用，應將X射線衍射（XRD）分析的礦物含量作為巖石分類的重要依據，采用“三端元、四組分”分類方案（圖2），將細粒沉積巖劃分為細粒長英沉積巖類、碳酸鹽巖類、粘土巖類與細?；旌铣练e巖類4類12種巖石類型。Milliken[7]基于對傳統的以沉積結構、顆粒大小及成分為標準的細粒沉積巖分類的改進，提出根據顆粒來源和成分，以細粒沉積巖的主要組分陸源—粘土、碳酸鹽—粘土和硅質—粘土為三端元，陸源—粘土的盆外來源超過75%、碳酸鹽—粘土的盆外碎屑來源少于75%，生物成因的盆內碳酸鹽顆粒占優勢、硅質—粘土的盆外碎屑來源少于75%且生物硅質成因顆粒比碳酸鹽顆粒占優勢為界分為3大類。

圖1 泥巖—灰巖系列綜合分類命名方案[5]

圖2 滄東凹陷細粒沉積巖巖石類型分類表[6]

3 細粒沉積巖定量表征

對細粒沉積巖進行定量研究才能更好地揭示細粒沉積巖生烴排烴性質規律，創新非常規油氣儲層地學理論。張琴[8]對頁巖的孔隙結構進行了研究，對細粒沉積巖孔徑進行了定量的表征（圖3）。Pan[9]利用偏最小二乘法處理合成混合物和自然泥巖的熱發射光譜，來評價其對于恢復壓實細粒沉積巖的礦物豐度的適用性，并對細粒沉積巖中的礦物豐度進行定量評價，表明砂和壓實的細粒沉積物的熱發射光譜具有顯著差異，能夠區分出二者。偏最小二乘法的主要優勢是提高的細粒度壓實混合物的準確性，在訓練數據集內允許有無數的樣品，而且能夠再沒有分開單成分顆粒的完整信息情況下恢復礦物豐度，能夠準確在熱發射光譜數據集中從非常細的巖石中恢復±10%豐度。

圖3 沾化凹陷頁巖儲集空間類型及分類標準[8]

4 細粒沉積巖的綜合評價與研究方法

非常規油氣評價重點是烴源巖特性、巖性、物性、脆性、含油氣性與應力各向異性“六特性”及匹配關系。非常規油氣富集“甜點區”有8項評價標準，其中3項關鍵指標是TOC大于2%、孔隙度較高（致密油氣大于10%，頁巖油氣大于3%）和微裂縫發育。非常規油氣具有兩個關鍵參數：一是孔隙度小于10%，二是孔喉直徑小于1μm或空氣滲透率小于1mD；而常規油氣孔隙度范圍多處于10%～30%，滲透率多大于1mD[4]。礦物元素分析技術能精細識別泥頁巖的礦物含量和沉積組構，成像測井技術可以有效識別泥頁巖的孔隙特征。Bourg[10]認為細粒沉積巖中粘土礦物質量分數具有很重要的意義，通過實驗投圖（圖4），他將細粒沉積巖中泥質含量（層狀硅酸鹽）占全巖1/3為閥值；不同泥質含量的細粒沉積巖，其抗壓強度、孔隙度和滲透率等性質都會發生變化，這與現在大部分存在的模型（認為孔隙度和滲透率不隨粘土礦物質量分數變化）是相反的；抗壓強度和其他材料性質在粘土礦物質量分數1/3處的轉變是很好很明顯的礦物學劃分標志，能夠劃分可供油氣開采的細粒沉積巖和可用于CCS（碳捕獲與儲存）及核廢料存儲的細粒沉積巖。Pan[11]報道了一種測量巖石各向異性滲透率的新方法，使用立方體樣品和3D打印膠套，通過旋轉立方體樣品測試巖石三軸方向的滲透率(圖5)。

圖4 致密頁巖和脆性頁巖的實驗結果及概念模型[10]

圖5 滲透率測量的三軸裝置示意圖[11]

5 結論

目前而言，細粒沉積巖沉積模式的研究較多，但都還處于定性或半定量階段，對于定量化的研究還較少；對于細粒沉積巖的微觀孔隙結構的定量研究應是未來的一個研究重點。細粒沉積巖由于粒度小，孔隙為納米—微米級，研究起來難度較大，未來需要新技術的革新，優化研究手段。

細粒沉積巖既是非常規油氣的烴源巖也是儲層，非常規油氣得以開發主要是由于水平井技術和水力壓裂的發現，因而需要一種定量的脆性指數來表征巖石的脆性大小及預測壓裂改造效果。

細粒沉積巖中巖性巖相、物性、孔隙結構、儲集性能和生烴能力等的非均質性研究也需要進一步加強。細粒沉積巖的埋藏演化模型需要進一步精細刻畫，且未來工作需進一步研究有機質演化、剛性顆粒、成巖作用類型與強度對細粒沉積巖微觀孔隙結構及其非均質性的控制機理。